基于FPGA的MSK调制解调器设计

文章摘要：数字调制解调器在点对点的数据传输中得到了广泛的应用。通常的二进制数字调制解调器是建立在模拟载波上的，在电路实现时需要模拟信号源，这会给全数字应用场合带来不方便。本文分析了MSK（最小频移键控）数字调制信号特征，提出一种全数字固定数据速率MSK调制解调器的设计方法，应用VHDL 语言进行了模块设计和时序仿真。硬件部分在ALTEra公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上实现了MSK 数字调制解调器，并在常州市科技攻关项目：粮库储粮安全网络智能监测系统的嵌入式测控部分应用。实测表明，数字MSK 调制解调器具有包络恒定，相位连续，频带利用率高的优点。并且在FPGA 上实现时设计效率高，可与其

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　　数字调制解调器在点对点的数据传输中得到了广泛的应用。通常的二进制数字调制解调器是建立在模拟载波上的，在电路实现时需要模拟信号源，这会给全数字应用场合带来不方便。本文分析了MSK（最小频移键控）数字调制信号特征，提出一种全数字固定数据速率MSK调制解调器的设计方法，应用VHDL 语言进行了模块设计和时序仿真。硬件部分在ALTEra公司 EP2C15AF256C8N FPGA 上实现了MSK 数字调制解调器，并在常州市科技攻关项目：粮库储粮安全网络智能监测系统的嵌入式测控部分应用。实测表明，数字MSK 调制解调器具有包络恒定，相位连续，频带利用率高的优点。并且在FPGA 上实现时设计效率高，可与其他模块共用片上资源，对于全数字系统中的短距离数据通信是较好的解决方案。

　　1 数字MSK 调制的载波频率与相位常数
　　
　　最小频移键控MSK （ Minimum Frequency Shift Keying ） 是二进制连续相位FSK 的一种特殊形式。有时也称为快速频移键控（FFSK）。MSK 调制方式能以最小的调制指数（0.5）获得正交信号， 同时MSK 比2PSK 的数据传输速率高，且在带外的频谱分量要比2PSK 衰减更快。

　　MSK 是恒定包络连续相位频率调制，其信号的表示式为

　　MSK 调制必须同时满足调制指数0.5 和相位连续条件，由MSK 信号表示可知，为了使调制指数为0.5，MSK 信号的两个频率应分别为：

　　上式反映了MSK信号前后码元区间的约束关系。MSK信号在第k个码元的相位常数不仅与当前码元的取值有关，而且还与前一个码元的取值及相位常数有关。在数字载波的情况下，上述条件等同于根据前一码元的相位，选择当前码元的相位是同相或反相，以保证数字MSK信号的相位连续。

　　2数字MSK调制解调器FPGA模块实现
　　
　　用FPGA实现的MSK调制器模块如图1所示。

　　图中预分频器和“0”、“1”码分频器组成载波发生器，在输入码序列同步信号的控制下分别产生“0”码和“1”码的数字载波。为了方便设计与调整，预分频器设置2级分频电路，分频系数分别为D1和D2，从分频效率考虑，D1和D2的乘积应为总分频系数的最大公共因子。

　　“0”码和“1”码分频器的分频系数C1、C2的设置必须满足调制指数0.5的条件。输入调制信号数字序列控制2选1多路选择器，选出对应输入码流中“0”、“1”码元的数字载波。相位检测模块与第二级2选1多路选择器、码长分频器和反相器组成连续相位形成电路。在前面确定“0”、“1”码元的数字载波时，每个码元的载波周期数也随之确定，其中“0”、“1”数字载波相位差固定为180°，因此可以简单地用0、1来表示2个载波相位。在相位检测模块中，码长分频器作为1bit延时的时钟信号，输入数字信号延迟一码元信号D-1与前次产生的2选1选择器控制信号S比较，得到前一码元结束时的相位Q-1，其结果如表1所示。

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